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1、1 CHANGI Geotechnical Engineering Group 分散式半刚性桩加固边坡的 理论与实践 (破坏模式及理论分析) 张信贵 广西大学设计研究院 广西南宁高图设计咨询有限公司 2016年7月 2 CHANGI Geotechnical Engineering Group 目 录 边坡工程中“分散式”桩的研究问题 地基处理中理论与实践问题 边坡工程中的地基处理问题 3 CHANGI Geotechnical Engineering Group 第一部分 地基处理中理论与实践问题 4 CHANGI Geotechnical Engineering Group 地基处理方法
2、为了解决软土地基上地基的承载力和稳定性问题，适应工程 建设发展的需要，经常采用许多地基处理方法加固地基：如 高压喷射注浆法、振冲法、强夯法、深层搅拌法、土工合成 材料、强夯置换法、EPS 超轻质填料法等许多从国外引进的 地基处理技术，并在实践中发展，许多已经在我国得到应用 的地基处理技术，如排水固结法、土桩和灰土桩法、砂桩法 等也得到不断发展、提高。近 20 年在工程实践中还发展了 许多新的地基处理技术，如真空预压法、锚杆静压桩法、孔 内夯扩碎石桩法、低强度桩复合地基法、刚性桩复合地基法 等。 5 CHANGI Geotechnical Engineering Group 桩类型（基于地基处理
3、） 代表性桩 柔性桩半刚性桩刚性桩复合桩 砂桩 碎石桩 砂石桩 高压旋喷桩 水泥搅拌桩 夯实水泥土桩 浆固碎石桩 石灰桩 CFG 桩 钢筋混凝土桩 预应力管桩 劲芯水泥搅拌桩 旋喷桩插芯复合桩 砂石桩+预制桩复合桩 加 固 体 特 性 强 度 粘结强度无低中等高中 抗剪强度低低中等中高中高 抗压强度低低中等高高 抗拉强度无低 低中（素砼） 高 （配筋） 低中（素砼） 高 （配筋） 抗弯强度无低 低中（素砼） 高 （配筋） 低中（素砼） 高 （芯桩配筋） 刚 度 抗压刚度低低中等高高 抗弯刚度无低中高中高 6 CHANGI Geotechnical Engineering Group 桩基按刚度
4、分类： 柔性桩-弹性模量低、刚度低、强度低，如无粘结的碎 石桩； 7 CHANGI Geotechnical Engineering Group 桩基按刚度分类： 半刚性桩-与上述两类桩相比： 弹性模量居中、刚度居中、强度居中， 如水泥土固结体的高压旋喷桩。 本 项 目 的 研 究 对 象 8 CHANGI Geotechnical Engineering Group 桩基按刚度分类： 刚性桩 弹性模量高、刚度大、强度高，如钢砼 桩； 9 CHANGI Geotechnical Engineering Group u 柱体式加固方法中的竖向加固体根据桩体材料、有无粘结 强度、抗拉压强度差异可分
5、为：散体类柔性桩、有一定粘结 强度的半刚性桩、无筋刚性桩、钢筋混凝土桩、复合桩。不 同加固材料形成的加固桩体强度特性各异，其破坏模式也不 同。 u 复合桩即采用以上多种桩型的组合，常用的有散体类柔性 桩与刚性芯桩组合、水泥土桩与混凝土芯桩组合、高压喷射 注浆水泥土桩与型钢芯桩（微型桩）组合、布袋砂桩、布袋 碎石桩、土工织物袋砂桩等。 u 根据各种桩的抗压、抗剪、抗弯强度特性，各种不同桩型 在地基处理中得到了广泛的应用。 10 CHANGI Geotechnical Engineering Group 常用的地基处理方法有混凝土钻孔灌注桩、预制桩、水泥土搅 拌桩: u采用钻孔灌注桩存在着泥浆污染
6、、造价高、质量受多种因素 影响的缺点； u采用混凝土预制桩存在振动、噪声、挤土及造价相对较高的 缺点； u采用水泥土搅拌桩存在单桩承载力低、施工质量难控制的缺 点。 u而水泥土组合桩具有单桩承载力高、造价低；施工工艺简单 ，质量容易控制；施工噪声低、振动小、无土方排出，无须 泥浆护壁，无沉渣隐患等优点。在环境保护意识日益增强的 今天，这些优势预示着水泥土组合桩广阔的发展前景。 水泥土组合桩(复合桩) 11 CHANGI Geotechnical Engineering Group 水泥土组合桩的构造 水泥土组合桩的4种形式 12 CHANGI Geotechnical Engineering
7、Group 目前，国内常见的水泥土组合桩可分为4 种类型： ua将预制钢筋混凝土芯桩插入水泥土搅拌桩内，形成以钢筋 混凝土预制桩为硬芯（劲芯）、水泥土为外桩的共同受力的 结构体，这种结构充分利用了芯桩和水泥土两种材料，其材 料强度得到极好的发挥，是目前最常用的形式; ub采用预制混凝土中空管桩（或钢管桩）作为加强体，待管 桩压入后，在管桩中部空腔内现浇混凝土，以增加上部桩体 强度，提高单桩承载力； uc采用沉管灌注桩的设备在水泥土桩中心成孔灌注混凝土形 成水泥土组合桩。是新近出现的一种组合桩形式，较a、b两 种形式施工更快捷、更简便，而且具有较好的经济性； ud采用沉管灌注桩的设备（在沉管内加
8、一小夯锤）在水泥土 桩中心成孔灌注混凝土，并在指定位置进行夯扩，进而形成 夯扩水泥土组合桩，这是在第c种形式的基础上发展来的， 但较之振捣更密实，承载力更高。 水泥土组合桩类型 13 CHANGI Geotechnical Engineering Group u由刚性混凝土桩芯将荷载传递给周围的水泥土，然后再由水 泥土与外界土层发生侧向摩擦，将荷载传递给周围土层。由 于混凝土桩芯强度高，对桩身抗压有利，外包水泥土价廉， 且与土有较大的接触面积，故对桩周侧阻力增加有利。桩体 上部的荷载传给芯桩，芯桩再通过水泥土与芯桩之间的作用 力传给水泥土，然后再传给地基土，这样从芯桩到土体通过 水泥土的过渡形
9、成了强-中-弱的渐变过程，形成一种中间强 度高四周强度低的合理的桩身结构，充分发挥了芯桩和水泥 土桩体的性能，提高了承载力，节约了造价。 u水泥土复合桩利用大直径的廉价水泥土提供摩阻力和端阻力 ，由劲芯承担和纵向传递上部荷载。劲芯复合桩可提供承载 力不低于同体积的其它刚性桩，而造价仅为其一半，在一定 范围内代替造价高，工期长的各种预制，静压桩、钻孔桩。 水泥土组合桩荷载传递机理 14 CHANGI Geotechnical Engineering Group . . . . . . . . . 水泥土组合桩施工 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10、 . . 先形成水泥土桩，再打入劲芯桩 15 CHANGI Geotechnical Engineering Group . . . . . . . . . 先形成水泥土桩，再打入劲芯桩 16 CHANGI Geotechnical Engineering Group . . . . . . . . . 在相互搭接水泥 土桩中心再打入 劲芯桩(可插筋、 钢筋笼、钢管或 型钢)形成用于基 坑支护复合桩 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 CHANGI Geotechnical Engineering Group 18 CHANGI G
11、eotechnical Engineering Group u复合桩是一种十分适用于软基处理的经济有效的新桩型，它 综合了各种类型单元桩的优点，能据土质情况、上部结构要 求、加固目的有针对性地、灵活地采取多种组合方式，调整 各种桩的桩径、桩长、掺灰量、强度、颗粒级配、搅拌和复 打次数等，使复合桩充分发挥出桩周软土摩阻力和桩底阻力 又匹配材料强度而产生的足够高的单桩承载力，且能显著提 高桩间土体强度和对承载的参与度，满足不同的设计要求。 u可对复杂软基中的特别软弱部位针对性地加固，避免了开挖 、回填，再打桩的繁琐工序。也可用于基坑支护（与湿喷工 法结合）；还有消除或减少地基液化、黄土的湿陷性和膨
12、胀 土的胀缩性，可在特殊土地基处理中发挥作用。 水泥土组合桩应用范围 19 CHANGI Geotechnical Engineering Group u钢筋砼劲芯水泥土复合桩用于基坑支护时，外芯起止水帷幕 作用，且由于劲芯的打入使外芯之间的啮合作用加强，抗渗 抗剪效果显著，劲芯中的钢筋（或钢管、型钢）主要起抗剪 、抗弯、抗拔作用，其分工明确又协调匹配，工期短造价低 ，经济技术效果十分明显。 u劲芯砂石桩多元复合地基中的各种介质协调匹配，刚柔相济 大幅度提高了整个地基的强度和均匀性。 u钢筋砼劲芯砂石复合桩可作刚性单桩使用，其侧摩阻力会高 于在软土中直接施打的刚性桩2倍左右，经济技术效果十分
13、明显。 水泥土组合桩应用范围 20 CHANGI Geotechnical Engineering Group 复合地基破坏常见模式 21 CHANGI Geotechnical Engineering Group 复合地基破坏模式分析 剪坏 拉坏 压坏 弯坏 组合破坏 22 CHANGI Geotechnical Engineering Group 复合地基破坏（可能模式） 复合地基中： 桩的位置不同、 破坏模式不同、 抗剪强度不同、 对复合地基稳定性 影响也不同 23 CHANGI Geotechnical Engineering Group 复合地基的室内三轴试验结果1 u林宏达（H.-
14、D.Lin）等（2007）研制了类似真三轴加载的设 备，可对立方体土体试样进行变化三个主应力大小的加载， 以模拟搅拌桩加固的复合地基的三维受力状态， 水泥土桩-土复合试样及加载装置 24 CHANGI Geotechnical Engineering Group 复合地基的室内三轴试验结果3 复合试样不同加载路径（为应力洛德角） 25 CHANGI Geotechnical Engineering Group 复合地基的室内三轴试验结果4 受剪破坏受拉破坏 26 CHANGI Geotechnical Engineering Group 复合地基的室内三轴试验结果5 复合试样中桩体不同破坏方式
15、 27 CHANGI Geotechnical Engineering Group 复合地基的室内模型试验1 复合试样中桩体不同破坏方式 28 CHANGI Geotechnical Engineering Group 复合地基的室内模型试验2 复合试样中桩体不同破坏方式 29 CHANGI Geotechnical Engineering Group 复合地基的现场破坏情况1 桩体不同破坏方式 30 CHANGI Geotechnical Engineering Group 复合地基的现场破坏情况2 桩体不同破坏方式 31 CHANGI Geotechnical Engineering Gr
16、oup 复合地基抗剪强度理论分析 当Cu很小或桩体抗剪强度Sp很高时，是否还有 其它的起控制作用的破坏模式？ Ssp随桩体抗剪强度提高而线性提高； 稳定性随桩体抗剪强度提高而线性增加； 公式（1）中显示： 复合土层的抗剪强度Ssp : 32 CHANGI Geotechnical Engineering Group 复合地基的试验与理论计算比较（图） 不同置换率复合土体实测与计算抗剪强度 33 CHANGI Geotechnical Engineering Group 复合地基的试验与理论计算比较分析 图中： Ssp=(1-m)Cu +m*Sp*cos 公式（1） 注：Ssp为复合地基的抗剪强度，文中在此称为复合抗剪强度；Sp为桩体 的抗剪强度；为滑弧切线与水平线的夹角，cu为桩间土的不排水抗 剪强度，m 为桩面积置换率。 分析： 三轴拉伸，公式（1）得到了过高的抗剪强度，置换率越大， 偏高越大。与公式（1）假设是剪切破
